Трехуровневая квантовая система. Идея создания инверсной населенности за счет оптической накачки

Классическая трёхуровневая система накачки рабочей среды используется, например, в рубиновом лазере.

Сначала все атомы находятся на нижнем уровне E1. Излучение накачки с соответствующей частотой заставляет атомы перескакивать на верхний уровень E3. При переходе атомов с верхнего уровня на промежуточный E2 происходит квантовая генерация на частоте, соответствующей этому переходу. Такая квантовая генерация, в отличие от двухуровневой, может осуществляться в непрерывном режиме, если систему охлаждать.

Накачкой можно перевести с уровня E1 на E3 не более половины атомов, так как далее эффект вынужденного излучения заставляет их возвращаться на нижний уровень. Но если вследствие столкновений или других процессов атомы с уровня E3 быстро переходят на уровень E2, то накачка их на верхний уровень с последующим переходом на промежуточный может продолжаться. Таким путем можно перекачать на уровень E3 больше половины атомов (и даже все). Тогда на промежуточном уровне оказывается больше атомов, чем на нижнем, и начинается генерация на частоте, соответствующей переходу Применение находят обе схемы трехуровневого квантового генератора и усилителя, причем та или другая выбирается в зависимости от свойств имеющегося материала с резонансами на нужных частотах. Вообще говоря, желательно, чтобы активная среда, удовлетворяя всем прочим требованиям, имела высокие резонансы. Если квантовый генератор предполагается использовать в качестве эталона частоты, то резонансы должны быть к тому же острыми. Такие резонансы характерны для спектров свободных атомов и молекул в газах. Резонансы же твердых материалов обычно довольно широкие, хотя ионы редкоземельных элементов и переходных металлов, таких как хром, в кристаллах имеют подходящие спектры.У некоторых материалов такого рода отмечаются высокие и острые резонансы как в СВЧ-, так и в оптическом диапазоне. Например, рубин (оксид алюминия), в котором какая-то доля процента ионов алюминия заменена ионами хрома, может служить активной средой для трехуровневого квантового генератора СВЧ-диапазона. Мейман показал, что рубин пригоден также для изготовления лазера. В обоих случаях используются энергетические уровни ионов хрома.